文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190091
中文引用格式: 趙琳,,方艷紅,,張紅英,等. 基于體感交互的智能家居控制與監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2019,,45(6):101-103.
英文引用格式: Zhao Lin,F(xiàn)ang Yanhong,,Zhang Hongying,,et al. Smart home control and monitoring system based on somatosensory interaction[J]. Application of Electronic Technique,2019,,45(6):101-103.
0 引言
隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,,人們對美好生活的需求日益增長,對生活質(zhì)量也有越來越高的要求,。人們的家電控制方式從最初的按下按鈕使開關(guān)閉合發(fā)展為紅外遙控,,甚至到手機(jī)小程序應(yīng)用。現(xiàn)今甚至可以進(jìn)一步脫離手機(jī)應(yīng)用程序,,利用體感技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對家居設(shè)備的控制[1],。
本文在現(xiàn)有的智能家居技術(shù)的理論基礎(chǔ)上[2-3],設(shè)計(jì)了一種基于體感交互的智能家居控制與監(jiān)護(hù)系統(tǒng),,用戶可以通過簡單的手勢實(shí)現(xiàn)對家居設(shè)備的控制,。對于有老人或小孩的家庭,,當(dāng)出現(xiàn)有人突然摔倒等危險(xiǎn)情況時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警并且將現(xiàn)場實(shí)際情況發(fā)送給監(jiān)護(hù)人,。
1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要由感知終端模塊,、核心處理模塊和信號(hào)處理模塊組成,系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。
由圖1可知,,系統(tǒng)在感知終端獲取視頻圖像信息后,傳遞給核心處理模塊,,在核心處理模塊中完成手勢判定和摔倒檢測,,之后,一方面將檢測到的摔倒信息利用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶預(yù)留的地址,;另一方面將手勢識(shí)別信號(hào)通過串口發(fā)送給上位機(jī)微控單元(MCU),,在ZigBee局域網(wǎng)中的下位機(jī)MCU接收上位機(jī)發(fā)出的控制信息,實(shí)現(xiàn)對電器設(shè)備的控制,。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示,。
在圖2的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中,感知終端采用Kinect傳感器實(shí)現(xiàn)信息采集,;核心處理端依據(jù)骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)空間信息進(jìn)行動(dòng)作判定,,并對動(dòng)作做出響應(yīng);當(dāng)用戶需要完成家居控制服務(wù)時(shí),,將信息傳輸給MCU,,實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的控制,當(dāng)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí),,通過網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送給監(jiān)護(hù)人,。
2.1 信息采集
系統(tǒng)的信息采集使用Kinect傳感器獲取人體20個(gè)骨骼節(jié)點(diǎn)信息,依據(jù)骨骼節(jié)點(diǎn)的三維位置信息創(chuàng)建對應(yīng)人體骨架,,對相應(yīng)的人體骨架進(jìn)行坐標(biāo)定位,。
2.2 信息處理
信息處理包括實(shí)時(shí)對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行手勢判定[4-6]和摔倒檢測[7-8]。
2.2.1 手勢判定
Kinect傳感器的信息采集頻率是30幀/s,,當(dāng)連續(xù)30幀的右手骨骼點(diǎn)坐標(biāo)變化超出閾值時(shí),,認(rèn)為手勢發(fā)生并提取數(shù)據(jù)流,與模型對比完成分類,。
以右手骨骼點(diǎn)到脊柱骨骼點(diǎn)以及左右肩骨骼點(diǎn)的歐式距離作為手勢判別的特征數(shù)據(jù),,歐式距離計(jì)算公式為:
式中,d為歐式距離數(shù)值大小,,(x1,,y1,z1),、(x2,,y2,,z2)分別為空間中任意兩點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到待匹配序列,。將待匹配序列與模板序列比對,,當(dāng)差值在閾值范圍內(nèi)則匹配到當(dāng)前模板,完成手勢分類,。
系統(tǒng)中預(yù)先定義了兩個(gè)模板,,每個(gè)模板保存有右手骨骼點(diǎn)到左右肩以及脊柱關(guān)節(jié)點(diǎn)的距離,定義了e1,、e2,、e3、e4,、e5,、e6用于保存待匹配序列與模板序列骨骼點(diǎn)相對距離的誤差,計(jì)算公式為:
其中,,E為右手骨骼點(diǎn)到左右肩節(jié)點(diǎn)或脊柱節(jié)點(diǎn)的誤差,,ai為模板中存放的某一骨骼點(diǎn)相對距離大小,bi為實(shí)時(shí)獲取的對應(yīng)骨骼點(diǎn)相對距離大小,。
e1,、e2、e3分別表示右手到模板一脊柱,、左肩,、右肩的距離誤差,e4,、e5,、e6分別表示右手到模板二脊柱、左肩,、右肩的距離誤差,,系統(tǒng)設(shè)定的誤差閾值(單位:m)分別為4,、3,、3、3,、3,、5。當(dāng)有待匹配序列滿足某一模板設(shè)定的閾值條件時(shí),,認(rèn)定該模板所代表的手勢發(fā)生,。
2.2.2 摔倒檢測
受文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]中利用加速度傳感器檢測摔倒的啟發(fā),本文利用采集的骨骼點(diǎn)空間位置信息,,在被監(jiān)護(hù)者不佩戴任何儀器設(shè)備的情況下獲得其活動(dòng)加速度數(shù)據(jù),。
以脊柱中心骨骼點(diǎn)為例,,根據(jù)基本物理運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí),加速度計(jì)算公式為:
其中,,at表示第t幀中骨骼點(diǎn)的加速度大小,,xt+1、xt-1分別表示與前后幀骨骼點(diǎn)的變化量,,Δt是采樣時(shí)間間隔,,本文的采樣間隔時(shí)間是1/30 s。
由于一些比較劇烈的運(yùn)動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生較大的加速度而導(dǎo)致誤判,,因此本文進(jìn)一步檢測關(guān)節(jié)的距離變化來提高檢測的準(zhǔn)確性,。整體的摔倒檢測實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。
由圖3可知,,摔倒判定需同時(shí)滿足加速度超出閾值和骨骼距離小于閾值兩個(gè)判定條件,。其中,骨骼距離是指髖骨和膝蓋在豎直方向上的相對位置,。經(jīng)過多次摔倒測試,,本文設(shè)置的加速度閾值設(shè)定為0.05 m/s2,骨骼點(diǎn)距離閾值設(shè)定為0.5 m,。
2.3 信息傳輸
信息傳輸包括與移動(dòng)端的遠(yuǎn)程通信和與MCU的串口通信,。
2.3.1 遠(yuǎn)程通信
當(dāng)檢測到有摔倒情況發(fā)生后,通過網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息和當(dāng)前圖片信息發(fā)送到第三方云端服務(wù)器,,服務(wù)器將信息發(fā)送到用戶手機(jī)端,,使在外的家人能夠及時(shí)獲知危險(xiǎn)情況,如圖4所示,。
2.3.2 串口通信
當(dāng)需要完成家居控制服務(wù)時(shí),,核心處理單元通過USB串口向MCU發(fā)送信息,MCU根據(jù)接收到的信息對家居電器進(jìn)行判斷操作,。
系統(tǒng)使用CC2530作為微控單元MCU,。CC2530是TI公司推出的一款芯片,里面包含了51單片機(jī)的內(nèi)核與ZigBee技術(shù),。其中的ZigBee是一種短距離局域網(wǎng)無線通信技術(shù),,工作在2.4 GHz頻段,傳輸速率10 kb/s~250 kb/s,,傳輸距離10~100 m[9],,具有低功耗、低成本的特點(diǎn)[10],。
CC2530需要完成的信息處理分為上位機(jī)與下位機(jī)兩部分,。上位機(jī)主要接收核心處理單元的數(shù)據(jù)信息,處理分析,通過局域網(wǎng)方式將信息傳送到下位機(jī),。下位機(jī)控制電器設(shè)備,。圖5所示是用CC2530實(shí)現(xiàn)家居智能開關(guān)的設(shè)計(jì)流程。
在圖5所示的CC2530設(shè)計(jì)流程中,,上位機(jī)協(xié)調(diào)器實(shí)時(shí)接收從串口發(fā)送來的字符,,并通過ZigBee無線協(xié)議把字符發(fā)送到下位機(jī)終端,終端根據(jù)收到字符控制家電開關(guān),。
3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
將系統(tǒng)硬件設(shè)備連接,,其中Kinect設(shè)備通電并連接到PC,ZigBee協(xié)調(diào)器通過USB數(shù)據(jù)線連接到PC串口,,對受控終端供電,。在室內(nèi)自然光條件下進(jìn)行測試,依次打開上位機(jī)控制程序,、手勢識(shí)別程序,。工作區(qū)顯示ZigBee成功組網(wǎng),Kinect攝像頭正常工作,。進(jìn)行兩組手勢控制測試,,每組30次,結(jié)果記錄見表1,。
如表1數(shù)據(jù)所示,,兩組測試實(shí)驗(yàn)的控制成功率分別為86.7%和80%,能夠滿足日常家居控制的設(shè)計(jì)需求,。
摔倒檢測實(shí)驗(yàn)中,,當(dāng)出現(xiàn)有人異常摔倒情況時(shí),系統(tǒng)提示“fall detection”,,并將報(bào)警信息和當(dāng)前圖像(如圖6所示)發(fā)送到監(jiān)護(hù)人手機(jī)端,。
4 結(jié)束語
本文介紹了基于體感交互的智能家居系統(tǒng),該系統(tǒng)集智能家居控制,、實(shí)時(shí)檢測危險(xiǎn)狀況于一體,,使用戶脫離了遙控器、手機(jī)APP等終端,,只需通過手勢就可以控制家居設(shè)備,;當(dāng)家中有老人或小孩意外摔倒時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測危險(xiǎn)狀況并及時(shí)向監(jiān)護(hù)人報(bào)警,。系統(tǒng)采用Kinect作為信息采集設(shè)備,,檢測范圍較大且不易受室內(nèi)光線強(qiáng)度影響,即使在夜間光量不足的情況下也能使用,。
參考文獻(xiàn)
[1] 傅大梅,倪瑛.基于Kinect的智能家居體感控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程,2016,,35(32):166-168.
[2] 張嘉慶.淺析中國智能建筑中智能家居的現(xiàn)狀及未來[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè),,2018(4):47.
[3] 吳杰文,左宸羽,,倪銀堂,,等.智能家居的研究現(xiàn)狀綜述與展望[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè),2017(16):6.
[4] 管珊珊.基于Kinect的手勢識(shí)別研究進(jìn)展[C].中國計(jì)算機(jī)用戶協(xié)會(huì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分會(huì)2018年第二十二屆網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)與應(yīng)用年會(huì)論文集,,2018.
[5] 陳紅梅,,賴重遠(yuǎn),張洋,,等.基于深度數(shù)據(jù)的手勢識(shí)別研究進(jìn)展[J].江漢大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),,2018,46(2):101-108.
[6] 徐軍,,劉春花,,孟月霞,等.可穿戴手勢識(shí)別控制器[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2016,,42(7):68-71,75.
[7] 彭亞平,,賀乾格,,柯希垚,等.一種基于加速度傳感器的摔倒檢測腰帶[J].電子測量技術(shù),,2018,,41(11):117-120.
[8] 徐慧慧,楊淼,,錢超瑜.基于三軸加速度傳感器的摔倒檢測系統(tǒng)[J].黑龍江科技信息,,2017(6):76.
[9] 廖慧,陽序仁.基于CC2530的LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力電子技術(shù),,2018,,52(11):33-35.
[10] 李建勇,李洋,,劉雪梅.基于ZigBee的糧庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2016,42(1):65-67,,71.
作者信息:
趙 琳1,,方艷紅1,2,,張紅英1,,2,王學(xué)淵1
(1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,四川 綿陽621010,;2.特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,四川 綿陽621010)